Tesis por compendio / [ES] Esta tesis doctoral se centró en la valorización de diferentes fuentes de biomasa marina para desarrollar materiales biopoliméricos e ingredientes destinados a la industria alimentaria. Así pues, en la primera parte de la tesis, se llevó a cabo la valorización de la biomasa de diversas especies de algas con el objetivo de identificar compuestos de interés y evaluar su potencial para la producción de materiales biopoliméricos e ingredientes alimentarios ricos en proteínas. Entre estas especies se encontraba R. okamurae, un alga parda invasora que representa una amenaza para los ecosistemas marinos. No obstante, se demostró que esta especie posee un gran potencial como fuente sostenible de compuestos bioactivos, transformando su papel de amenaza en oportunidad. La biomasa de las algas rojas también destacó por su potencial en diversas aplicaciones, incluyendo el desarrollo de materiales rentables y respetuosos con el medio ambiente obtenidos mediante de un procesado mínimo. En este contexto, la composición y la estructura de las paredes celulares de las algas desempeñaron un papel fundamental para entender cómo se comporta cada especie durante el procesado y en las propiedades de las películas resultantes. Además de la producción de materiales, también se estudiaron las algas rojas como fuente de proteínas para el consumo humano. Aunque las algas nativas presentaron una baja digestibilidad, esta mejoró mediante su procesado. No obstante, a pesar de esta mejora en la digestibilidad, el procesado podía inducir la degradación de los aminoácidos más lábiles, lo que repercutía negativamente en la calidad nutricional de las proteínas. En la segunda parte de esta tesis, se exploraron varias especies de algas rojas para extraer agar de forma más eficiente mediante métodos simplificados, y se evaluó la idoneidad de los extractos obtenidos para desarrollar materiales biopoliméricos e hidrogeles para aplicaciones alimentarias. El grado de purificación del agar tuvo un impacto significativo en las propiedades finales tanto de las películas como de los hidrogeles. En el caso de las películas, las fabricadas con agar puro presentaron propiedades superiores; sin embargo, sufrieron cambios significativos en su estructura semicristalina durante el almacenamiento. Por el contrario, las películas derivadas de extractos de agar menos purificados mostraron una mayor estabilidad en el tiempo, sugiriendo su potencial como aditivo para reducir costes y mejorar la estabilidad de las películas de agar puro. En el caso de los hidrogeles, la purificación del agar condujo a la formación de hidrogeles con una resistencia y dureza más altas. Por otro lado, el protocolo de extracción simplificado produjo fracciones de agar menos purificadas que contenían compuestos adicionales como proteínas o polifenoles. Aunque esto dio lugar a hidrogeles menos rígidos y resistentes, podrían ser de interés para la producción de hidrogeles con propiedades bioactivas. En la tercera y última parte de la tesis, se abordó la valorización de los residuos industriales generados tras la extracción de alginato, con el propósito de obtener fracciones de celulosa mediante métodos simplificados para su aplicación en la producción de materiales biopoliméricos. En este contexto, se observó que los residuos de A. esculenta y S. latissima resultaron adecuados para la extracción de fracciones celulósicas, mientras que A. nodosum podría ser más interesante para la producción de extractos ricos en fucoidano. Las fracciones de celulosa con mayor pureza generaron películas con propiedades mecánicas y aspecto visual más deseables. En cambio, las fracciones menos purificadas presentaron una mayor barrera al vapor de agua. De acuerdo con los resultados, se determinó que la simple aplicación de un tratamiento alcalino puede producir fracciones de celulosa que dan lugar a películas con un equilibrio óptimo entre propiedades funcionales y eficiencia económica y medioambiental. / [CA] Aquesta tesi doctoral es va centrar en la valorització de diferents fonts de biomassa marina para desenvolupar materials biopolimèrics i ingredients destinats a la indústria alimentària. Així doncs, en la primera part de la tesi, es va dur a terme la valorització de la biomassa de diverses espècies d'algues amb l'objectiu d'identificar compostos d'interés i avaluar el seu potencial per a la producció de materials biopolimèrics i ingredients alimentaris rics en proteïnes. Entre aquestes espècies es trobava R. okamurae, una alga marró invasora que representa una amenaça per als ecosistemes marins. No obstant això, es va demostrar que aquesta espècie posseeix un gran potencial com a font sostenible de compostos bioactius, transformant el seu paper d'amenaça en oportunitat. La biomassa de les algues roges també va destacar pel seu potencial en diverses aplicacions, incloent-hi el desenvolupament de materials rendibles i respectuosos amb el medi ambient obtinguts mitjançant d'un processament mínim. En aquest context, la composició i l'estructura de les parets cel·lulars de les algues van exercir un paper fonamental per a entendre el comportament cada espècie durant el processament i en les propietats de les pel·lícules resultants. A més, també es van estudiar les algues roges com a font de proteïnes per al consum humà. Encara que les algues natives van presentar una baixa digestibilitat, aquesta va millorar mitjançant el seu processament. No obstant això, malgrat aquesta millora en la digestibilitat, el processament podia induir la degradació dels aminoàcids més làbils, la qual cosa repercutia negativament en la qualitat nutricional de les proteïnes. En la segona part d'aquesta tesi, es van explorar diverses espècies d'algues roges per a extraure agar de forma més eficient mitjançant mètodes simplificats, i es va avaluar la idoneïtat dels extractes obtinguts per a desenvolupar materials biopolimèrics i hidrogels per a aplicacions alimentàries. El grau de purificació de l'agar va tindre un impacte significatiu en les propietats finals tant de les pel·lícules com dels hidrogels. En el cas de les pel·lícules, les fabricades amb agar pur van presentar propietats superiors; no obstant això, van patir canvis significatius en la seua estructura semicristal·lina durant l'emmagatzematge. Per contra, les pel·lícules derivades d'extractes d'agar menys purificats van mostrar una major estabilitat en el temps, suggerint el seu potencial com a additiu per a reduir costos i millorar l'estabilitat de les pel·lícules d'agar pur. En el cas dels hidrogels, la purificació de l'agar va conduir a la formació d'hidrogels amb una resistència i duresa més altes. D'altra banda, el protocol d'extracció simplificat va produir fraccions d'agar menys purificades que contenien compostos addicionals com a proteïnes o polifenols. Encara que això va donar lloc a hidrogels menys rígids i resistents, podrien ser d'interés per a la producció d'hidrogels amb propietats bioactius. En la tercera i última part de la tesi, es va abordar la valorització dels residus industrials generats després de l'extracció d'alginat, amb el propòsit d'obtindre fraccions de cel·lulosa mitjançant mètodes simplificats per a la seua aplicació en la producció de materials biopolimèrics. En aquest context, es va observar que els residus de A. esculenta i S. latissima van resultar adequats per a l'extracció de fraccions cel·lulòsiques, mentre que A. nodosum podria ser més interessant per a la producció d'extractes rics en fucoidans. Les fraccions de cel·lulosa amb major puresa van generar pel·lícules amb propietats mecàniques i aspecte visual més desitjables. En canvi , les fraccions menys purificades van presentar una major barrera al vapor d'aigua. D'acord amb els resultats, es va determinar que la simple aplicació d'un tractament alcalí pot produir fraccions de cel·lulosa que donen lloc a pel·lícules amb un equilibri òptim entre propietats funcionals i eficiència econòmica i mediambiental. / [EN] This doctoral thesis focused on the valorization of different sources of marine biomass with the main purpose of developing biopolymeric materials and ingredients for the food industry. Thus, in the first part of the thesis, the valorization of biomass from different algae species was carried out to identify compounds of interest and assess their potential to produce biopolymeric materials and protein-rich food ingredients. Among these species was Ruguloperyx okamurae, an invasive brown seaweed that poses a threat to marine ecosystems. However, this species was shown to have significant potential as a sustainable source of bioactive compounds, transforming its role as a threat into a valuable opportunity. Red seaweed biomass was also highlighted for its potential in a variety of applications, including the development of cost-effective and environmentally friendly materials for food applications obtained through minimal processing. In this context, the composition and structure of the algal cell walls played a crucial role in understanding how each species behaves during processing and in the properties of the resulting films. In addition to the production of biopolymeric materials, red seaweeds were also studied as a source of proteins for human consumption. Although native seaweeds had low digestibility, this was improved through processing. However, it is important to note that, despite the improvement in digestibility, processing could induce the degradation of more labile amino acids, having a negative impact on the nutritional quality of the proteins. In the second part of this thesis, several species of red seaweeds were explored to extract agar more efficiently by simplified methods, and the suitability of the extracts obtained to develop biopolymeric materials and hydrogels for food applications was evaluated. It could be observed that the degree of agar purification had a significant impact on the final properties of both films and hydrogels. In the case of films, those made of pure agar exhibited superior properties; however, they underwent significant changes in their semicrystalline structure during storage. In contrast, those films derived from less purified agar extracts showed greater stability over time, suggesting the potential of less purified agars as additives to reduce costs and improve the stability of pure agar films. Regarding the hydrogels, agar purification led to the formation of hydrogels with significantly higher strength and hardness. On the other hand, the simplified extraction protocol produced less purified agar fractions containing other compounds such as proteins, polyphenols, and minerals. Although this resulted in less rigid and resistant hydrogels, this feature could be advantageous for the production of hydrogels with bioactive properties. In the third and last part of the thesis, the valorization of industrial wastes generated after alginate extraction was addressed, with the purpose of obtaining cellulosic fractions by simplified methods for their application in the production of biopolymeric materials. In this context, it was observed that the residues of Alaria esculenta and Saccharina latissima were suitable for the extraction of cellulosic fractions, while Ascophyllum nodosum might be more interesting for the production of fucoidan-rich extracts. Cellulosic fractions with higher purity produced films with more desirable mechanical properties and visual appearance. Conversely, less purified fractions presented a greater barrier to water vapor. According to the results, it was determined that the simple application of an alkaline treatment could produce cellulosic fractions that resulted in films with an optimal balance between functional properties and economic and environmental efficiency in biopolymeric material production. / This work was financially supported by the “Agencia Estatal de Investigación” (PCI2018-092886 Grant) and co-funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (ERA-Net SUSFOOD2) and by the grant TED2021-129711B-I00, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the European Union NextGenerationEU/PRTR. This work was done within the framework of a collaboration with HISPANAGAR S.L (Burgos, Spain). The research was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities through projects PID2020-114821RB-I00, PID2020-117744RJ-I00, as well as CEX2021-001189-S, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033. The authors also acknowledge funding through project CIRCALGAE (Horizon Europe) under grant agreement 101060607. In all projects, funding from “ERDF A way of making Europe”, the “European Union” or the “European Union NextGenerationEU/PRTR” is also acknowledged. / Cebrián Lloret, V. (2024). Valorization of Marine Biomass for the Development of Biopolymeric Materials and Additives with Functional Properties [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202961 / Compendio

L'industrie des abattoirs fait face à des restrictions législatives concernant la disposition de leurs résidus. Étant donné que le marché des farines animales est à la baisse, les coûts de transport et de traitement, imposés par les équarrisseurs aux abattoirs, varient de façon imprévisible. Pour certains abattoirs, les coûts de disposition ont été tels, qu'ils sont intéressés à gérer leurs propres déchets. Quoique peu utilisée pour le traitement des résidus d'abattoir, la digestion anaérobie s'avère une alternative intéressante pour cette industrie. Ces déchets offrent un potentiel énergétique élevé grâce à leur teneur importante de lipides. Néanmoins, les lipides et les protéines sont potentiellement inhibiteurs des microorganismes anaérobies. L'objectif principal de cette thèse a été de mettre au point un procédé CSTR de digestion anaérobie des résidus d'abattoir afin d'optimiser le rendement énergétique. Cette étude à permis de mieux caractériser le substrat pour enrichir l'information disponible dans la littérature, de déceler des indicateurs d'inhibition, de trouver des critères de dimensionnement et de vérifier l'applicabilité du model ADM1 à la digestion des résidus d'abattoir. Cinq expériences ont été réalisées avec des réacteurs CSTR. Trois temps de rétention hydraulique, TRH, et quatre concentrations différentes du substrat d'alimentation, S0, ont été testés. Des résidus d'abattoir de veaux de lait (78% de viscères et 22% de sang) ont été utilisés comme substrat d'alimentation. Les résultats démontrent que des TRH longs et des charges inférieures à 0,5 kgLipides/m3·j permettent d'obtenir une performance d'épuration maximale. Pour déceler des effets d'inhibition, l'acide palmitique peut être utilisé comme l'indicateur le plus important. Le TRH semble influencer la robustesse et la performance d'épuration face à l'inhibition. L'applica-bilité de l'ADM1 pour ce type de résidus a été vérifiée. L'ADM1 a été adapté pour inclure des nouvelles fonctions d'inhibition (compétitive et non compétitive). Les modifications réa-lisées à ce modèle ont permis d'obtenir des prédictions satisfaisantes. Les résidus d'abattoir se sont avérés un substrat idéal pour la bio-méthanisation. Cepen-dant, ces procédés exigent des conditions d'opération strictes. Des procèdes anaérobies favorisant la rétention de la biomasse et une meilleure adaptation de l'ADM1 sont des études qui favoriseront le développement de cette filière.

« Thèse en cotutelle, Doctorat en sciences animales : Université Laval,Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université François-Rabelais,Tours, France) » / Chaque jour, la poule exporte environ 2 g de calcium (Ca) pour constituer la coquille. Le décalage entre la disponibilité du Ca alimentaire et le besoin pour la coquille contraint la poule à mobiliser son os médullaire. Ce processus a pour effet de fragiliser progressivement le squelette et conduit à la libération et l'excrétion urinaire de phosphore (P). La fin de carrière de la poule, marquée par une baisse de la qualité de coquille, est donc aussi propice à l'apparition d'ostéoporose. Face à ces enjeux, un meilleur pilotage de l'alimentation minérale représente un levier d'intérêt pour maintenir la qualité du squelette et de la coquille, et limiter les rejets en P, tout au long du cycle de production. Ceci implique d'identifier des stratégies optimisant l'utilisation des minéraux, en particulier au niveau digestif, siège de processus complexes qu'il convient de mieux comprendre. L'objectif de ce doctorat était donc d'améliorer nos connaissances quant aux mécanismes contrôlant l'utilisation digestive du Ca et du P et de les intégrer dans un modèle mécaniste de recherche. Si le carbonate de Ca particulaire et la phytase microbienne sont couramment utilisés dans l'alimentation des poules pondeuses, leurs effets, notamment combinés, sur la dynamique des flux digestifs de Ca et P sont peu connus. Un premier travail de méta-analyses des données de la littérature a permis de quantifier 1) l'effet du Ca particulaire pour améliorer l'utilisation du Ca par la poule et limiter la dégradation du squelette liée à l'âge et 2) l'effet de la phytase microbienne pour améliorer l'utilisation digestive du P, d'autant plus marqué que le régime est pauvre en P. Dans un second temps, l'interaction entre la taille des particules de Ca et la phytase microbienne a été étudiée à travers une expérimentation in vivo. Cette étude a montré que le Ca particulaire limite la formation de complexes entre le Ca et l'acide phytique favorisant ainsi l'action de la phytase microbienne. Ces travaux ont permis de formaliser des concepts qui ont été intégrés au sein d'un modèle mécaniste de recherche décrivant le devenir du Ca et du P dans le tube digestif de la poule pondeuse de façon dynamique à l'échelle de la journée. Ce modèle prend en compte les principales caractéristiques de l'aliment ainsi que le stade de calcification de la coquille, facteurs majeurs modulant l'utilisation digestive du Ca et du P. Ce travail contribue à mieux comprendre le devenir du Ca particulaire au niveau digestif et ses interactions avec le P et la phytase microbienne. Il ouvre des perspectives évidentes d'amélioration de l'utilisation du Ca et du P chez la poule pondeuse via des stratégies nutritionnelles adaptées. Le couplage du modèle digestif développé à un outil décrivant les flux métaboliques contribuera au déploiement d'une alimentation minérale de précision répondant aux multiples enjeux auxquels est confrontée la production i.e. qualité de coquille, intégrité du squelette et maîtrise des rejets de P. / Daily, the eggshell production requires more than 2 g of calcium (Ca), representing a challenge to the layinghen. Because of a gap between the availability of dietary Ca and the requirement for the eggshell, the hen mobilizes Ca from her medullary bone. This repeated bone mobilization leads to weak the skeleton and increases urinary excretion of phosphorus (P). The end of the laying period is thus, marked by a progressive degradation of the skeleton, but also by a decrease of the eggshell quality. In this context, optimizing mineral nutrition appears a key tool to maintain skeletal integrity, eggshell quality and to limit the P excretion throughout the production cycle. However, processes driving the digestive utilization of Ca and P are not well understood. The objective of this PhD was therefore to improve our knowledge concerning he digestive mechanisms of Ca and P utilization which was then integrated in a mechanistic and dynamic model of the fate of Ca and P into the digestive tract of the laying hen. Coarse limestone and microbial phytase are commonly used in the diet of laying hens. However, the way they impact the digestive flows of Ca and P as well as their interaction are not well understood in hens. Thus, we first realized two meta-analyses to quantify 1) the effect of coarse Ca to improve Ca utilization by the hen and to limit age-related skeletal degradation and 2) the effect of microbial phytase to improve digestive P utilization in a low P diet. Secondly, we studied how coarse limestone could impact phytase efficacy through an in vivo approach. Coarse limestone presented a lower propension than fine limestone to complex phytic acid, thus improving phytase efficacy. This work provided key concepts and quantifications to develop a mechanistic research model describing the fate of Ca and P in the digestive tract of the laying hen in a dynamic way and on a daily scale. This model integrates the main diet effects and the stage of eggshell calcification, known to be the main factors impacting the digestive use of Ca and P. This work improved our knowledge on the fate of coarse limestone and its interactions with P and microbial phytase, making possible the optimization of digestive utilization of these minerals. Further, by coupling the current model to a dynamic model describing the metabolic flows of Ca and P, it will possible to answer multiple challenges of the laying hen's production in terms of eggshell quality, skeletal integrity and reduction of P excretion.

L'objectif de ce travail était d'étudier l'impact de la digestion in vitro des protéines du lactosérum et des facteurs de croissance (TGF-β2 et IGF-I) contenus dans un ingrédient protéique bioactif, nommé BWPE, à l'aide de systèmes de digestion statique et dynamique (TPM-1), puis de vérifier l'impact de cette digestion sur les activités biologiques du produit. Premièrement, la digestion du BWPE sous l'action de la pepsine dans un modèle de digestion statique a révélé la résistance de la β-lactoglobuline (β-LG) à cette enzyme, alors que les autres protéines sont hydrolysées graduellement. Les contenus en TGF-β2 et IGF-I du BWPE ont diminué partiellement après 120 min de digestion (50% et 30%, respectivement). L'activité inhibitrice de la prolifération des splénocytes murins par le BWPE n'a pas été modifiée par l'hydrolyse pepsique, suggérant que la ou les composantes responsables de cette activité ne sont pas dégradées par la pepsine. La digestion gastrointestinale du BWPE à l'aide d'un système dynamique (TIM-1) a démontré que la β-LG et le glycomacropeptide sont les composantes protéiques du lactosérum les plus résistantes à la digestion stomacale pendant 3 h. Toutefois, toutes les protéines contenues dans le BWPE sont rapidement hydrolysées dans le compartiment duodenal. Après 5 h de digestion, une forte proportion de l'azote (73%) contenu dans le produit initial est absorbée dans les fluides jejunal et ileal sous forme de peptides dont la taille est inférieure à 5,8 kDa. La majorité (95%) du TGF-β2 contenu dans le BWPE résiste aux enzymes gastrointestinales, alors que F IGF-I est entièrement hydrolyse par ces enzymes après 5 h de digestion. L'impact de la digestion gastrointestinale du BWPE sur certaines activités biologiques a montré que ce traitement modifie l'activité immunosuppressive du produit sur des splénocytes murins, qu'il n'affecte pas la production de glutathion intracellulaire par des cellules cancéreuses Jurkat T, et que la plupart des échantillons digérés ne sont pas cytotoxiques envers ces cellules. En conclusion, ce travail de recherche a permis de démontrer que l'efficacité thérapeutique associée à la présence de TGF-β2 dans un ingrédient laitier pourrait s'expliquer par la résistance de ce facteur de croissance lors de la digestion gastrointestinale.

Le fromage cheddar est reconnu comme une excellente source de calcium. Outre son intérêt nutritionnel intrinsèque, le calcium favorise la lipolyse lors de la digestion. Cet effet s’explique par la formation de savons de calcium avec les acides gras saturés à longue chaîne, ce qui entraîne l’exposition de nouveau substrat à l’interphase huile-eau des gouttelettes de gras laitier, permettant à la lipase de continuer son action. En contrepartie, les savons de calcium limitent l'absorption des acides gras impliqués. D’un point de vue technologique, le calcium joue un rôle clé dans la structure du fromage car il participe à la formation du gel de paracaséine. Ayant un effet sur la matrice fromagère et sur la digestion des lipides, le calcium peut alors modifier la biodisponibilité du gras laitier. L’objectif de ce projet était de mieux comprendre l’effet du calcium sur la biodisponibilité du gras laitier à partir de fromages de type cheddar avec le but éventuel de développer des aliments pouvant contrôler la digestion et l’absorption des lipides. Dans un premier temps, des fromages de type cheddar enrichis en calcium par l’ajout de CaCl₂ ont été soumis à une digestion in vitro. L’analyse des chymes a permis de démontrer que les fromages enrichis se désintégraient plus lentement que leur contrôle sans calcium ajouté. D’une autre part, la libération d’acides gras des fromages enrichis progressait plus rapidement, mettant en évidence l’effet du calcium sur les mécanismes impliqués dans la lipolyse. Dans un second temps, des fromages de type cheddar ont été fabriqués à partir de lait standardisé avec des huiles de beurre contrôle, oléine et stéarine et salés avec ou sans CaCl₂. Les fromages ont été digérés in vitro pour étudier l’effet du calcium sur la lipolyse et la formation de savons de calcium avec les huiles de beurre ayant différents profils d’acides gras. Les fromages préparés avec la fraction stéarine (avec le rapport le plus élevé d’acides gras saturés à longue chaîne) étaient plus résistants à la désintégration physique et présentaient une lipolyse plus lente que les autres fromages, en raison du point de fusion élevé de cette matière grasse. Les fromages enrichis en calcium présentaient des taux de lipolyse supérieurs aux fromages sans enrichissement. Cette lipolyse accrue a été expliquée par la formation de savons de calcium avec des acides gras à longue chaîne. Ces composés insolubles pourraient toutefois réduire la biodisponibilité des acides gras impliqués en empêchant leur absorption. Pour confirmer l’effet du calcium et du type de matière grasse sur la biodisponibilité des lipides, les fromages ont été utilisés par la suite pour une étude chez le rat. La lipémie postprandiale des animaux a été mesurée suite à l’ingestion du fromage. Les matières fécales ont été analysées pour quantifier les acides gras excrétés sous forme de savons de calcium. Les fromages ont eu des effets différents au niveau de la lipémie postprandiale. L'enrichissement en calcium a entraîné une augmentation de la lipémie avec les fromages à l'oléine, alors qu'un pic différé a été observé avec les fromages à stéarine. Ceci s'explique par la formation de savons de calcium avec des acides gras saturés à longue chaîne, favorisant indirectement une lipolyse plus rapide de ceux à courtes et à moyennes chaînes. Le retard du pic pour les fromages à base de stéarine s’expliquait par leur teneur plus élevée en acides gras saturés à longue chaîne, qui formaient des savons avec le calcium et se retrouvaient dans les fèces. Les résultats confirment que le calcium affecte la digestion intestinale des lipides laitiers en augmentant le taux de lipolyse. Cependant, il limite également la bioaccessibilité des acides gras en produisant, au pH intestinal, des savons de calcium insolubles avec des acides gras saturés à longue chaîne. Ce projet démontre que la biodisponibilité des lipides peut être régulée par le calcium présent dans le fromage cheddar. Cette étude met en évidence l'interaction en cours de digestion du calcium et des lipides présents dans la matrice laitière et confirme sa répercussion physiologique. Ces effets sur la digestion et l'absorption des lipides sont d’intérêt pour la conception de matrices alimentaires pour la libération contrôlée de nutriments et bioactifs liposolubles. D'autres recherches dans ce domaine permettront de mieux comprendre le rôle joué par les aliments sur la santé humaine et d’habiliter le développement de produits laitiers pour contrôler la libération de nutriments afin de moduler les réponses métaboliques. Mots clés : fromage, gras laitier, digestion, lipolyse, savons de calcium. / Cheddar cheese is recognized as an excellent source of calcium. In addition to its intrinsic nutritional value, calcium promotes lipolysis during digestion. This lipolysis enhancing effect is explained by the formation of calcium soaps with saturated long-chain fatty acids, resulting in the exposure of new substrate to the oil-water interphase of the milk fat droplets, thus enabling lipase to continue its action. On the other hand, the formation of calcium soaps reduces the absorption of saturated long-chain fatty acids. From a technological point of view, calcium plays a key role in the cheese structure as it participates in the formation of the paracasein gel. By such effects on the cheese matrix and the digestion of lipids, calcium can modify the bioavailability of the dairy fat. The objective of this project was to better understand the effect of calcium on the bioavailability of dairy fat from Cheddar cheeses, in aim to developing food matrices for controlled digestion and absorption of lipids. In a first step, Cheddar cheeses enriched with calcium by the addition of CaCl₂ were subjected to digestion in vitro. Chyme analysis showed that calcium-enriched cheeses disintegrated less rapidly than the non-enriched control but that their lipolysis progressed more rapidly, demonstrating the effect of calcium on the factors that influence lipolysis. In a second step, Cheddar cheeses were made from standardized milk with control, olein and stearin butter oils and salted with or without CaCl₂. The cheeses were digested in vitro to study the effect of calcium on lipolysis and the formation of calcium soaps from butter oils with different fatty acid profiles. Cheeses prepared with the stearin fraction (with the highest ratio of saturated long-chain fatty acids) were more resistant to physical disintegration and presented slower lipolysis than the other cheeses because of the high melting point of this fat. Cheeses enriched with calcium had higher levels of lipolysis than cheeses without enrichment. This increased lipolysis was due to the formation of calcium soaps with saturated long-chain fatty acids. These insoluble compounds could reduce the bioavailability of the fatty acids involved by preventing their absorption. To confirm the effect of calcium and type of fat on lipid bioavailability, the cheeses were subsequently used for an in vivo study. Postprandial lipemia of Wistar rats was monitored following ingestion of the cheese. The feces were analyzed to quantify the fatty acids excreted as calcium soaps. The cheeses had different effects in postprandial lipemia. Calcium enrichment led to a higher lipemic peak for the cheeses with olein, while a delayed peak was observed for cheeses with the stearin. This was explained by the increased affinity of calcium for saturated long-chain fatty acids, indirectly allowing faster lipolysis of other fatty acids, such as those with short- and medium-chains. The delay for stearin cheeses was due to their high content of saturated long-chain fatty acids, which formed soaps with calcium, thus reducing their absorption and ending up in feces. The results confirm that calcium plays an important role in intestinal digestion of dairy lipids by increasing the rate of lipolysis. However, it also limits the bioaccessibility of fatty acids by producing insoluble calcium soaps with saturated long-chain fatty acids at intestinal pH conditions. This project demonstrates that the bioavailability of lipids can be regulated by calcium in Cheddar cheese. This study demonstrates the interaction of calcium and lipids present in the dairy matrix during digestion and confirms its physiological repercussion. These effects on digestion and lipid absorption are of interest for the design of food matrices for the controlled release of liposoluble nutrients or bioactive molecules. Further research in this area will provide a better understanding of the role of foods in human health and enable the development of dairy products to control the release of nutrients to modulate metabolic responses. Keywords: Cheese, milk fat, digestion, lipolysis, calcium soaps.

Le premier objectif de cette thèse était d’évaluer l’effet de différentes vitesses de dégradation de l’énergie et de la protéine au niveau du rumen sur la prise alimentaire, le bilan azoté, la synthèse de protéines microbiennes dans le rumen (PMic) ainsi que la cinétique des nutriments chez le chevreau en croissance. Huit chevreaux Boer ont été distribué dans un dispositif expérimental en carré latin avec le type de grains (orge vs maïs) en parcelle principale (carré). La dégradabilité de l’énergie (grains traités vs non traités) et la dégradabilité de la protéine [tourteau de soya (TS) vs tourteau de soya chauffé (TSC)] dans le rumen formant les parcelles secondaires selon un arrangement factoriel des traitements 2 × 2. L’orge a été roulé et le maïs a été craqué. Les chevreaux recevant le maïs ont eu une excrétion urinaire de purines plus importante lorsqu’ils recevaient le TS plutôt que le TSC alors que le contraire a été observé avec l’orge (P ≤ 0,01). Le grain non traité couplé au TS a permis une plus grande excrétion de purines que lorsque couplé au TSC alors que la dégradabilité de la protéine dans le rumen n’a eu aucun effet lorsque le grain était traité (P ≤ 0,03). Les résultats de cette expérience ont montré que la synthèse de PMic pourrait être maximisée en combinant des grains lentement fermentescible (maïs ou grains entiers) avec une source de protéines rapidement dégradables (TS) dans le rumen. Avec l’orge, un grain plus rapidement fermenté dans le rumen, une synthèse de PMic supérieure a été observée lorsque couplée à une source de protéines lentement dégradables (TSC). Chaque céréale a des caractéristiques particulières. Ainsi, la seconde expérience de cette thèse a été réalisée afin de comparer les effets du maïs et de l’orge sur les performances de croissance, la qualité de la viande et le profil en acides gras (AG) du gras musculaire. Vingt-quatre chevreaux Boer ont été séparés en blocs selon leur poids et assignés à l’un des traitements qui consistaient en différentes proportions orge:maïs dans le concentré : 1) 100:0, 2) 50:50 et 3) 0:100. Quinze de ces chevreaux (n = 5 chevreaux/traitement) ont été abattus. L’ajout d’orge dans le concentré a provoqué une augmentation linéaire de la consommation de concentré (P < 0,01) et une tendance à l’augmentation du gain moyen quotidien (GMQ; P = 0,08). Les qualités de la carcasse et de la viande n’ont pas été influencées par les traitements et une viande de bonne qualité a été obtenue. Les proportions d’AG n-3 et n-6 ont augmenté de façon linéaire (P < 0,01), alors que le ratio AG n-6/n-3 a diminué de façon linéaire (P < 0,01) avec l’inclusion de maïs dans la ration. Finalement, la race est aussi un paramètre connu pour influencer la production et la qualité de la viande. Le but de la dernière expérience de cette thèse était d’évaluer l’effet de la race et du régime alimentaire sur la croissance, les caractéristiques de la carcasse et la qualité de la viande chez le chevreau. Quarante chevreaux de race bouchère (Boer) ou laitière (Alpine et Saanen) ont été séparés en blocs selon leur poids et nourris avec une ration à base de pâturage en rotation intensive ou une ration à base de concentrés. Les chevreaux de race bouchère ont eu un GMQ supérieur aux chevreaux de race laitière (P < 0,01), alors que le régime alimentaire n’a pas eu d’effet sur la croissance des chevreaux des deux races. Pour la majorité des découpes, les chevreaux de race bouchère ont accumulé plus de gras et moins de muscle lorsqu’ils recevaient la ration à base de concentrés plutôt qu’à base de pâturage alors que ces paramètres étaient peu influencés par le régime alimentaire chez les chevreaux de race laitière (régime × race, P ≤ 0,07). Les chevreaux nourris de la ration à base de concentrés avaient un potentiel glycolytique inférieur menant à un pH ultime supérieur de la viande ainsi qu’un ratio n-6/n-3 presque 4 fois plus grand que celui des chevreaux au pâturage (P < 0,01). Ce ratio a été 1,4 fois plus grand pour les chevreaux de race laitière comparé aux chevreaux de race bouchère (P < 0,01). Le pâturage en rotation intensive a permis un gain de poids moyen quotidien semblable à celui obtenu avec la ration à base de concentrés, une accumulation de gras interne moins importante dans la carcasse et une viande de bonne qualité. De plus, les chevreaux de race laitière représentent une alternative intéressante afin de produire de la viande de chèvre. / It has been suggested that microbial protein synthesis in the rumen would be optimized when dietary carbohydrates and proteins have synchronized rates and extent of degradation. The first objective of this thesis was to evaluate the effect of varying ruminal degradation rate of carbohydrates and nitrogen sources on intake, nitrogen balance, microbial protein yield in the rumen, and digestive kinetics of nutrients in the rumen of growing kids. Eight Boer goats were used. The treatments were arranged in a split-plot Latin square design with grain sources (barley or corn) forming the main plots (squares). Grain processing methods (rolled barley and cracked corn vs unprocessed grains) and levels of protein degradability [untreated soybean meal (SBM) vs heat-treated soybean meal (HSBM)] formed the subplots in a 2 × 2 factorial arrangement for a total of eight dietary treatments. Kids fed corn had higher excretion of purine derivatives (PD) when coupled with SBM compared with HSBM and the contrary occurred with barley-fed kids (P ≤ 0.01). Unprocessed grain offered with SBM led to a higher PD excretion than with HSBM whereas protein degradability had no effect when processed grain was fed (P ≤ 0.03). Results of this experiment with high concentrate diets showed that microbial N synthesis in the rumen could be maximized in goat kids by combining slowly fermented grains (corn or unprocessed grains) with a highly degradable protein supplement (SBM). With barley, a more rapidly fermented grain, a greater microbial protein synthesis in the rumen was observed when supplementing a low degradable protein (HSBM). Each cereal used in animal feeding has distinct characteristics. Therefore, the second experiment of this thesis was conducted to compare the impact of corn and barley on growth performance, meat quality, and muscle fatty acid (FA) composition of goat kids. Twenty-four Boer males were blocked by body weight (BW) and allotted randomly within block to one of three experimental diets. Treatments consisted in varying ratios of barley to corn in the concentrate: 1) 100:0, 2) 50:50, and 3) 0:100. Fifteen randomly selected kids (n = 5 kids/treatment) were slaughtered to evaluate carcass traits and meat quality. Inclusion of barley in diet linearly increased concentrate intake (P < 0.01) and tended to increase average daily gain (ADG; P = 0.08). There was no significant difference on carcass traits and meat quality among dietary treatments, and overall good meat quality was obtained. Proportions of n-3 and n-6 FA increased linearly (P < 0.01), whereas the n-6/n-3 FA ratio linearly decreased (P < 0.01) in meat fat as corn inclusion increased in the diets. Finally, breed is a parameter also known to influence meat production and quality. The aim of the last study of this thesis was to evaluate the effects of breed and feeding regimen on growth performance, carcass characteristics, and meat quality of male goat. Forty meat (Boer) or dairy (Alpine and Saanen) goat kids were blocked within breed according to BW. Kids within each block were then randomly allotted to intensive rotational grazing or a concentrate-based diet. Meat kids had a greater ADG than dairy kids (P < 0.01), but feeding treatments did not affect growth rate. For most of the primal cuts, meat kids accumulated more fat and less lean when they were fed concentrate in comparison with pasture, whereas these parameters were less influenced by dietary treatments in dairy kids (feed × breed, P ≤ 0.07). Pasture-fed kids had higher glycolytic potential resulting in lower meat ultimate pH. However, Warner-Bratzler shear force was higher for grazing kids compared with concentrate-fed kids (P < 0.01). Concentrate-fed kids showed an almost 4-fold greater n-6/n-3 FA ratio in meat fat compared with pasturefed kids, whereas this ratio was 1.4-fold greater for dairy kids in comparison with meat kids (P < 0.01). Intensive rotational pasture allowed similar average daily gain in comparison with concentrate-based diet, less internal fat accumulation in the carcass, and good meat quality. Furthermore, dairy breeds represented a valuable alternative for producing goat meat.

Si l’objectif est d’optimiser l’utilisation des protéines par les volailles, l'utilisation d’un système d’acides aminés digestibles est probablement supérieure à la quantité totale d’acide aminé (tAA) présente dans le régime. Avec la quantité considérable d’informations présentes sur les valeurs nutritives d’acides aminés (AA) utilisées dans les régimes alimentaires de volailles, l’objectif de cette étude est de prédire la digestibilité d’AA basée sur une analyse proximale via une méta-analyse. Deux modèles ont été testés : 1) Y = digestibilité apparente des AA (AAdig, % diet) ; X = protéine brute (CP) (%) et 2) Y = AAdig (g/kg de DM) ; X = AA totaux analysés (tAA, g/kg de DM) dans lequel l’ordonnée à l’origine du graphique est la perte d’endogène (EL). Une base de données de 49 publications a été divisée en 5 sous-sections 1) céréales (orge, sorgho, blé et maïs), 2) tourteau de soja (SBM), 3) farines de viande et d’os (MBM) 4) La sous-section 1) ainsi que des fèves de faba et de pois pour étudier EL et 5) seulement des fèves de faba et des pois. L’étude et les ingrédients ont été inclus dans le modèle comme effets fixes. Pour les céréales, la prédiction des AAdig par CP est précise (R² de 0.68 pour Thr et de 0.92 pour Ala). La pente est différente selon le type de céréales (céréale x CP ; P &lt; 0.05) pour la majorité des AA sauf pour le maïs qui n’a pas eu de relation significative avec CP (P > 0.05). Dans le SBM et MBM, l’effet étude améliore la précision des modèles. Des ordonnées à l’origine négatives, et significativement différent de 0 (P&lt; 0.002), sont obtenus systématiquement avec les fèves de faba, les pois ainsi que l’orge. Ces derniers ont une haute EL probablement due à son contenu élevé en fibres ainsi qu’en facteurs antinutritionnels. Parmi les AA, les ordonnées à l’origine étaient plus élevées pour Glu, Leu, Ser, Thr, qui sont prédominants dans les digesta iléaux. En conclusion, la CP peut être un indicateur pour les AA digestibles dans la plupart des AA présents dans les céréales, mais pas pour les SBM et MBM. La perte endogène basale semble être influencée par les fibres brutes ainsi que les facteurs antinutritionnels. / The use of digestible amino acid system is certainly superior to total amino acids (tAA) in feed formulation, if the objective is optimizing protein use by birds. With considerable information reporting AA digestible values of ingredients used in broiler diets, the objective of this study was to predict amino acid (AA) digestibility based on proximal analysis of ingredient using a meta-analysis approach. Two models were performed: 1) Y = apparent digestible AA (AAdig, % diet); X = dietary CP (%) and 2) Y = AAdig (g/kg of DM); X = total analyzed AA (tAA, g/kg of DM) in which the intercept is the endogenous losses (EL). A database of 49 publications was divided in 5 sub-databases: 1) cereals (barley, sorghum, wheat and corn), 2) soybean meal (SBM), 3) meat and bone meal (MBM), 4) database 1 plus faba beans and peas to study El and 5) only peas and faba beans. The study and ingredient were included as fixed effects. In cereals, prediction of AAdig by CP was accurate (R² from 0.68 for Thr to 0.92 for Ala). The slope was different between cereals (cereal x CP; P &lt; 0.05) for most AA, where corn did not respond to CP (P > 0.05). In SBM and MBM, the study effect improved the precision of the models. More negative intercepts, and significantly different from 0 (P&lt; 0.002), were systematically obtained for faba beans, peas and barley indicating higher EL probably due to its high content of fiber and anti-nutritional factors. Among AA, intercepts were higher for Glu, Leu, Ser and Thr, which are predominant in the ileal digesta. In conclusion, CP can be a predictor of digestible AA of most AA for cereals, but not for SBM and MBM. Basal EL seems to be influenced by crude fiber and anti-nutritional factors.

"Thèse en cotutelle pour le doctorat en génie des eaux Université Laval Québec et Ghent University à Ghent, Belgique" / La prise de conscience croissante de l’épuisement des ressources naturelles, la demande croissante de nutriments et d’énergie pour la production alimentaire et les normes de plus en plus strictes de décharge des nutriments et de fertilisation, ont donné lieu à une attention accrue pour la récupération des nutriments à partir des déchets municipaux et agricoles. Cette thèse de doctorat vise à stimuler la transition vers une bio-économie en fournissant des (moyens à développer des) stratégies durables pour la récupération des nutriments à partir des déchets organiques après la production de bio-énergie par la digestion anaérobie. Une attention particulière est accordée à la valorisation des produits récupérés comme substituts renouvelables aux engrais chimiques et/ou comme engrais organo-minéraux durables dans l'agriculture. Trois phases de recherche complémentaires ont été exécutées: 1) l'inventaire des technologies et la classification des produits, 2) l'évaluation de la valeur des produits, 3) la modélisation et l’optimisation des procédés. Dans la première phase, une revue systématique des technologies et une classification des produits ont été réalisées. Dans la seconde phase, la caractérisation des produits et des analyses de bilan de masse dans des stations de récupération des ressources de l’eau et des déchets (StaRRED) à grande échelle ont été exécutées. Une évaluation économique et écologique de différents scénarios de bio-fertilisation a été menée et les scénarios les plus durables ont été sélectionnés pour une évaluation agronomique réalisée ultérieurement sur le terrain et à l'échelle de la serre. Dans la troisième phase, une librairie générique de modèles pour la récupération des nutriments a été élaborée visant à modéliser la quantité et la qualité d'engrais. Une meilleure compréhension de la performance et des interactions des processus unitaires a été obtenue par des analyses de sensibilité globale. Les modèles ont été utilisés avec succès comme un outil pour la configuration et l'optimisation des chaînes de traitement. Sur la base de toutes les connaissances acquises, une feuille de route générique pour la mise en place des stratégies de récupération des nutriments en fonction des marchés et des législations des engrais, et de la caractérisation des déchets a été développée. En tant que telle, la présente thèse développe les concepts de fermeture maximale des cycles des nutriments dans une approche du berceau-au-berceau. Le travail apporte des preuves importantes de l'impact positif des produits récupérés sur l'économie, l'agronomie et l'écologie de la production végétale intensive. En outre, cette thèse offre des informations et des outils fondamentaux pour faciliter la mise en œuvre et l'optimisation des stratégies durables de récupération des nutriments. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour une croissance économique durable axée sur les ressources biologiques et créent ainsi une situation gagnant-gagnant pour l'environnement, la société et l'économie en Belgique, au Canada, et au-delà. / The increasing awareness of natural resource depletion, the increasing demand of nutrients and energy for food production, and the more and more stringent nutrient discharge and fertilization levels, have resulted in an increased attention for nutrient recovery from municipal and agricultural wastes. This PhD dissertation aims at stimulating the transition to a bio-based economy by providing (tools to develop) sustainable strategies for nutrient recovery from organic wastes following bio-energy production through anaerobic digestion (= bio-digestion waste). Particular attention is paid to the valorization of the recovered products as renewable substitutes for chemical fertilizers and/or as sustainable organo-mineral fertilizers in agriculture. Three complementary research phases were conducted: 1) technology inventory and product classification, 2) product value evaluation, 3) process modelling and optimization. In the first phase, a systematic technology review and product classification was performed. In phase 2, product characterizations and mass balance analyses at full-scale waste(water) resource recovery facilities (WRRFs) were executed. An economic and ecological evaluation of different bio-based fertilization scenarios was conducted and the most sustainable scenarios were selected for subsequent agronomic evaluation at field and greenhouse scale. In phase 3, a generic nutrient recovery model library was developed aiming at fertilizer quantity and quality as model outputs. Increased insights in unit process performance and interactions were obtained through global sensitivity analyses. The models were successfully used as a tool for treatment train configuration and optimization. Based on all acquired knowledge, a generic roadmap for setting up nutrient recovery strategies as function of fertilizer markets, legislations, and waste characterization was established. As such, the present dissertation further develops the concepts of maximally closing nutrient cycles in a cradle-to-cradle approach. The work reveals important evidence of the positive impact of recovered products on the economy, agronomy, and ecology of intensive plant production. Moreover, it provides the fundamental information and tools to facilitate the implementation and optimization of sustainable nutrient recovery strategies. All of this may open up new opportunities for sustainable and more bio-based economic growth and thus create a win-win situation for the environment, the society, and the economy in Belgium, Canada, and beyond.

Les objectifs expérimentaux de ce projet étaient en premier lieu de comparer la digestibilité d'une source de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) organiques (protéinate de minéral) par rapport à une forme inorganique (sulfate), et en deuxième lieu de vérifier l'impact des mannan-oligosaccharides (MOS) sur la digestibilité des minéraux, le pH intestinal et la production d'acides gras volatiles. Vingt-huit porcs d'environ 25 kg ont reçu aléatoirement quatre traitements enrichis avec 10 ppm de Cu et 100 ppm de Zn. Les traitements impliquaient l'utilisation d'une source inorganique ou organique, et l'absence ou la présence de mannan-oligossacharides. Les résultats montrent que la source organique a amélioré la digestibilité (P<0,01) et l'utilisation nette (P<0,01) du Cu. En revanche, les MOS n'ont eu comme seul effet de montrer une tendance (P<0,10) à augmenter la digestibilité et l'utilisation nette du Cu en présence d'une source inorganique de minéraux. Bref, la source organique a permis une meilleure digestibilité et utilisation du Cu, alors que le MOS n'a engendré aucune modification de l'environnement intestinal qui aurait pu modifier de façon significative l'absorption du Zn et du Cu.

Hydrogen production by anaerobic digestion is considered as one of tomorrow's clean energy source. Swine manure is also a big concern but as a problematic waste, a waste that could eventually be degraded by anaerobic digestion. The goal of this study was to combine these two subjects and design, operate, study and optimize an anaerobic reactor that could use a substrate with a heavy load of proteins like swine manure. To achieve these objectives, two experimental campaigns in an upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) as weIl as an activity test campaign in bottles were conducted on granular sludge that was thermally pre-treated. The effects of teinperature, hydraulic retenti on time, pH and the use of a citrate buffer on the productivity of hydrogen and other metabolic by-products where monitored. Temperature of 55 °C gave better results (1.85 L H2·(d·Lyl)⁻¹) than 35 °C (0.078 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and pH 5 (3.3 L H2·(d·Lyl)⁻¹) was preferable to pH 4.5 (1.75 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and 5.5 (2.5 L H2·(d·Lyl)⁻¹) at 55 °C. A major production of lactic acid was also measured and showed up to be a major problem that influenced negatively hydrogen productivity and yield. It was also deterrnined that a citric acid buffer was inefficient and could easily be degraded at 35 °C. FinaIly, a pH 10 choc treatment improved hydrogen productivity by 50% to reach a maximum average of 3.49 L H2·(d·Lyl⁻¹) on the day that followed the recovery of the system.